高噴灌漿防滲加固技術(shù)在菏澤茅莊煤礦主斜井的應(yīng)用

張作禮

(山東亨達(dá)煤業(yè)有限公司，山東 寧陽 271400)

0 引言

我國是世界上煤炭產(chǎn)量最多的國家之一，作為工業(yè)化及人類生存主要的能源基礎(chǔ)，煤炭資源在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要的地位。然而近年來，雖然我國政府一直在強(qiáng)調(diào)和重視煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)問題，并逐年加大對礦井安全設(shè)施的投資，但是仍然無法避免的出現(xiàn)各類安全事故，而使得煤礦安全問題越來越受到廣大礦山科技工作者的關(guān)注[1-4]。透水事故是煤礦安全生產(chǎn)的主要隱患之一，在煤礦生產(chǎn)等一些過程中，經(jīng)常會遇到松軟地層、構(gòu)造斷面、破碎帶等的影響而遭受地下水透水事故的威脅，尤其是地下開采煤礦的主井若發(fā)生透水事故，不僅造成生命威脅，也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-10]。注漿技術(shù)采用了灌漿、防滲、堵水、加固等技術(shù)，成為治理地下水害和加固軟弱地層的首選技術(shù)。在礦山開采，水利水電，冶金等許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別在煤礦安全生產(chǎn)的建設(shè)中，其廣泛性更為明顯。

該文在施工的角度，對菏澤茅莊煤礦主斜井的高噴灌漿防滲加固工作的應(yīng)用予以說明，以期能為相關(guān)研究、生產(chǎn)工作提供一定的施工思路。

1 工程概況

菏澤茅莊煤礦隸屬于山東亨達(dá)煤業(yè)有限公司，地處泰安市寧陽縣堽城鎮(zhèn)茅莊工業(yè)園區(qū)。該礦技術(shù)改造后新建主斜井，位于工業(yè)場地內(nèi)西南角。為避開現(xiàn)有的采空區(qū)，主斜井以12°傾角落至-70m水平，通過煤倉與現(xiàn)有膠帶巷連接，實(shí)現(xiàn)煤流運(yùn)輸連續(xù)化；該主斜井凈寬3.2m，凈高3.2m，直墻半圓拱斷面，凈斷面9.1m2，傾角12°，斜長667m，裝備800mm帶式輸送機(jī)，擔(dān)負(fù)礦井的主提升任務(wù)，兼做進(jìn)風(fēng)井和安全出口，以滿足全礦井技改后的煤炭提升要求。由于主斜井穿越含水量十分豐富的流砂地層(表1)，需對(0+27.0)m～(0+111.0)m段進(jìn)行高噴灌漿防滲與加固。

2 旋噴樁施工設(shè)計(jì)和施工方法

2.1 旋噴樁施工設(shè)計(jì)及工作量

該工程主斜井明挖段0～27.0m，旋噴段27.0～111.0m。旋噴段周邊為止水帷幕旋噴樁，樁徑1000mm，孔距800mm，孔深18.6m，旋噴樁底進(jìn)入風(fēng)化層2m。在27～56.6m段樁頂距地面4.0m，噴射段長14.6m；在56.6～111.0m段，樁頂距地面5.0m，樁長13.6m。在86.0～111.0m段，斜井頂部為一層松散的粗砂層，為了保證此段斜井的安全順利施工，此段進(jìn)行旋噴樁加固，在止水帷幕內(nèi)布置8排旋噴樁，排距82.2mm，孔距80mm。加固旋噴樁底部進(jìn)入風(fēng)化層1.0m，樁長5.0m，樁徑1000mm。旋噴樁平面示意圖及總平面布置圖1、圖2所示。

表1 旋噴樁施工主要涉及地層

圖1 旋噴樁平面示意圖

圖2 旋噴樁總平面示意圖

該工程設(shè)計(jì)施工工程量為：①防滲旋噴樁孔數(shù)約232根，鉆孔工程量約為4315.2m，高壓旋噴樁工程量約為3448.1m。(82孔×14.6m/孔+150孔×13.6m/孔+210.9m=3448.1m，210.9m為復(fù)噴工程量)。②旋噴樁水平加固體約248孔，鉆孔約4364.8m，旋噴樁加固工程量約1240.0m。③降水檢查孔4個(gè)井，鉆孔工程量約70.4m(17.6m/個(gè)×4個(gè)=70.4m)。

2.2 施工方法和工藝

2.2.1 施工方法

采用新二管法高壓噴射灌漿進(jìn)行施工，新二管法高壓噴射灌漿是以大于30MPa的高壓水泥漿射流通過Φ1.8m的噴嘴噴出，水泥漿射流四周以壓縮空氣加以保護(hù)，隨著噴管的旋轉(zhuǎn)與提升，高壓水泥漿射流沖切破壞土體，同時(shí)漿射流的能量較大，將水泥漿與土體摻攪形成樁體；壓縮氣也起到升揚(yáng)置換的作用，使切割的部分土體從孔口冒出，水泥漿與砂土混合固結(jié)后，形成所需要加固體。新二管法的主要優(yōu)點(diǎn)在于它比老二管法壓力大、流量大、能量大、樁徑也較大，相對于三管法它直接用水泥漿切削地層，削除了高壓水對水泥漿的稀釋，節(jié)約了水泥從而也保證了成樁質(zhì)量，減少了廢漿的排放。新二管法施工比三管法及老二管法有著無可比擬的優(yōu)越性，新二管法在長江三峽、長江堤防、全國多處大中型水庫，各處船塢、碼頭等工程中成功運(yùn)用，均取得良好的效果。

2.2.2 施工工藝

高壓噴射灌漿施工各個(gè)環(huán)節(jié)密切合作，才能達(dá)到質(zhì)量要求，施工時(shí)高噴孔分兩序進(jìn)行，先進(jìn)行Ⅰ序孔施工，再進(jìn)行Ⅱ序孔施工。施工過程主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)定孔位、復(fù)核：嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)放樣定孔位，其誤差不大于2cm，并用木樁固定。在高噴灌漿軸線拐彎處應(yīng)設(shè)固定樁，同時(shí)在施工軸線5～10m范圍設(shè)控制樁。孔位定完后及時(shí)復(fù)核，避免有誤。

(2)鉆孔：成孔直徑130mm，鉆孔深度以設(shè)計(jì)標(biāo)高控制。鉆機(jī)開鉆前必須先進(jìn)行鉆機(jī)找平，鉆進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)傾斜，則停機(jī)找平后再開鉆。鉆進(jìn)過程中，遇到異常情況及時(shí)查明原因，采取相應(yīng)措施，對地層變化、顆粒大小、硬度等要詳細(xì)記錄，鉆孔結(jié)束后，由技術(shù)人員進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后方可移位進(jìn)行下一個(gè)孔的鉆進(jìn)。

(3)下噴射管：檢查各項(xiàng)工藝參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后將噴射管下至設(shè)計(jì)深度，進(jìn)行高噴灌漿施工。

(4)制漿：水泥漿液在噴射作業(yè)前1h內(nèi)，按設(shè)計(jì)配比進(jìn)行漿液攪制，使用普通攪漿機(jī)攪制時(shí)間不少于180s，漿液比重控制在1.45～1.55之間，在制漿過程中應(yīng)隨時(shí)測量漿液比重。純水泥漿攪拌存放時(shí)間不超過2.5h漿液溫度應(yīng)保持在5～40℃。每孔高噴灌漿結(jié)束后要統(tǒng)計(jì)該孔的材料用量。

(5)噴射提升：當(dāng)噴射管下至設(shè)計(jì)深度，開始送入符合要求的漿、氣，待注入漿液冒出孔口時(shí)，按設(shè)計(jì)的提升方式及速度自下而上提升，直至提升到設(shè)計(jì)的終噴高程停噴。

(6)回灌：噴射結(jié)束后，隨即在噴射孔內(nèi)進(jìn)行靜壓充填灌漿，直到漿面不再下沉為止，保證高噴防滲墻固結(jié)后墻體質(zhì)量和墻頂標(biāo)高，回灌漿液一般采用鄰孔高噴冒漿靜壓充填。

3 結(jié)語

(1)在主斜井穿越粗砂層(流砂層)段進(jìn)行高壓旋噴灌漿防滲與加固，大大減少了粗砂層的滲水量，通過對流砂的加固固結(jié)大大減少了流砂的流動，為主斜井在流砂地層的施工創(chuàng)造了十分有利的條件，保證了主斜井在流砂地層的快速、安全施工。

(2)新二管法高壓噴射灌漿通過高壓水泥漿液和環(huán)繞在其周圍的高壓氣沖切破壞土體，形成樁體，其樁徑、長度和形狀是可控的，解決了其他灌漿(如壓密灌漿、超前小導(dǎo)管灌漿等)在軟土地層中不可控的問題，高壓噴射灌漿是人們在軟土地層中構(gòu)筑防滲體和加固體的一種十分先進(jìn)的工藝。

(3)高壓噴射灌漿旋噴樁在該工程中承擔(dān)防滲、加固兩種作用，高壓噴射灌漿施工具有經(jīng)濟(jì)合理、施工速度快的特點(diǎn)。該工藝的成功實(shí)施為類似工程的施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

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